Технологические ограничения формообразования

Статью написал несколько месяцев назад ,для одного издания, которое, к сожалению, закрылось. Думаю что информация пока ещё актуальная, поэтому выкладываю тут:

Кремлев А.Ю.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

В промышленном дизайне формообразование изделий, всегда зависело от технологических возможностей производства и характеристик существующих материалов. Если, в период зарождения промышленности, дизайн-процесс заключался в художественном декорировании технологически простых форм. То с появлением новых материалов и технологий, промышленные дизайнеры смогли обратить внимание на саму форму изделия. Например, технология литья пластмасс под давлением, позволила создавать изделия с ярко выраженной геометрией форм и отказаться от декорирования художественными изображениями и накладными элементами. Но, появившиеся узкоспецифичные технологические ограничения, такие как поднутрения, обратные уклоны, пролив материалов и т.д. потребовали участия в дизайн-процессе технических специалистов конкретных производств. Со временем количество ограничений, стоящих перед формообразованием только увеличивалось. Работа промышленного дизайнера - это «работа с большими тиражами однотипных изделий. А ошибка, растиражированная в серии, может стать непростительно дорогой»[1]. «Поэтому задачи, стоящие перед дизайнером, решаются совместной работой дизайнера, технолога, конструктора, маркетолога над формообразованием, синтезом технологических процессов и выразительных средств»[2]. Сегодня хорошим дизайном признаётся не столько эстетика и красота формы, сколько рациональность жизненного цикла изделия, включающая в себя продуманную экологичность, экономичность, эргономичность, логистику и прочие факторы. Формообразование в современном промышленном дизайне – это продукт междисциплинарного компромисса.

С появлением аддитивного производства, экономические и технологические требования к формообразованию изделий претерпевают столь масштабные изменения, что многие лидеры мировой промышленности (Siemens) называют их появление – новой промышленной революцией[3].

Важно отметить, что аддитивные технологии развивались с конца 1980-х годов только в качестве инструмента быстрого прототипирования, и только с первой половины 2010-х годов эту технологию рассматривают как инструмент промышленного производства конечных изделий[5]. Поэтому в статье анализируются технологические ограничения аддитивного производства на основе технологии лазерного спекания, на примере материала нейлон.

Сейчас наука рассматривает аддитивное производство с точки зрения машиностроения – производство деталей[4] и медицины – создание имплантатов[6]. Но с развитием технологии и снижением себестоимости производства можно будет говорить о повсеместном использовании промышленных 3D принтеров. Аддитивное производство требует пересмотра всего облика промышленности, начиная с нормативной документации[7] и заканчивая самим смыслом существования массового производства.

Существующие технологические ограничения можно обозначить по следующим параметрам:

– Стабильные результаты по разрешению печати отдельных элементов, рельефных деталей, гравировок и стенок можно получить, начиная с 0,6-0,8 мм. Минимальная толщина спекаемого слоя начинается с 0,1 мм [8]. Минимальный размер видимого рельефа 0,2 мм. Минимальный диаметр отдельно стоящей детали (столбик) 0,8-1 мм. Минимальное расстояние между деталями 0,5 мм;

– Погрешности печати на пределах 0,0015 мм - 0,25 мм, в зависимости от ориентации детали в камере принтера[9];

– Полости. Для обеспечения внутренних полостей необходимо обеспечивать отверстия для изъятия порошка, диаметром 2-4мм;

– Размеры объектов печати. На сегодняшний день камеры промышленных 3D принтеров не превышают 750-800 мм. по максимальной стороне;

– Анизотропные свойства. Относительно литья пластмасс под давлением прочность на сжатие вполне сопоставима[10], а усилие на разрыв зависит от ориентации объекта при послойной печати[11];

– Обработка шероховатой структуры поверхности, получаемой во время лазерного спекания порошковых материалов. Для сложнопрофильных внутренних каналов и полостей требуется разработка новых способов обработки[12]. Наука сейчас рассматривает ультразвуковую жидкостную обработку[13], бесконтактную лазерную полировку[14], обработку парами дихлорметана[15], в зависимости от применяемых материалов;

– Для достижения максимальной эффективности по снижению расхода материала, при получении заданных параметров прочности готового изделия, необходимо использовать специализированное программное обеспечение для аддитивного производства, которое самостоятельно генерирует оптимальную конструкцию и тектонику будущего изделия (генеративный дизайн*).

Рассмотренные технологические ограничения не имеют своей ярко выраженной специфики, они скорее отражают состояние развития технологии на сегодняшний день. Следовательно, изучение ограничений формообразования промышленного дизайна в аддитивном производстве лежат в других областях, таких как экономика, экология, эргономика и т.д.

Отсутствие узкоспециализированных технологических требований к дизайну, использование систем автоматического проектирования и систем инженерного анализа позволяют упростить процесс формообразования промышленного дизайна. Вместо ряда технических специалистов все операции по формообразованию и конструированию готовой к печати модели сможет самостоятельно выполнять один специалист – промышленный дизайнер. Соответственно это поднимает вопрос к пересмотру уровня компетенций, получаемых в рамках профильного образования. Можно поднимать вопрос о необходимости перехода образовательной программы специальности промышленного дизайнера из области искусства в область инженерии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михайлов С. Кулеева Л. Основы дизайна. – К.: 1999 'Новое знание'– 138 с., 172 с.

2. Захаров А.И., Коняшкина А.Ю., Безменов А.И. Формобразование изделия в эволюции взаимосвязи технологии и формы в промышленном дизайне // Gaudeamusigitur Издательство: Общество с ограниченной ответственностью 'СТТ' (Томск) ISSN: 2412-2378

3. Additive manufacturing – the next industrial revolution Report from PLM Connection Europe 2016 conference // CAD/CAM/CAE Observer – 2016. – #7(107) – 2016 – с.40-45.

4. Шевченко Д.Ю. Аддитивные технологии в машиностроительном производстве // Комплексные проблемы развития науки, образования и экономики региона: Научно-практический журнал Коломенского института (филиала) МГМУ (МАМИ). 2015. № 2 (7). С. 89-97.

5. Joann Michalik, Jim Joyce, Ross Barney, Grey McCune. 3D opportunity for product design: Additive manufacturing and the early stage. Deloitte University Press. July 17, 2015. C. 2-17

6. Татоян Г.А., Ультан С.И. Обзор международного опыта в области применения аддитивных технологий // В сборнике: Современный вектор: мировая экономика, менеджмент и маркетинг сборник трудов международного научно-практического форума. 2016. С. 134-142.

7. Казмирчук К.Н. Отсутствие нормативной базы - одна из основных преград на пути развития аддитивных технологий // Главный механик. 2015. № 9. С. 22-26.

8. Carolyn Conner Seepersad, Tyler Govett, Kevin Kim, Michael Lundin, Daniel Pinero.А designer's guide for dimensioning and tolerancingsls parts. 23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium - An Additive Manufacturing Conference, SFF 2012. С. 921-931.

9. For a more complete discussion of this issue, see Mark Cotteleer, 3D opportunity for production: Additive manufacturing makes its (business) case. Deloitte Review, July 2014

10. Aaron M. Forster. Materials Testing Standards for Additive Manufacturing of Polymer Materials: State of the Art and Standards Applicability. NationalInstituteofStandardsTechnology NISTIR 8059. may 2015 С.2-45.

11. Phil Lambert. Tensile strength: Additive manufacturing vs Injection molding. may 14, 2014. (https://www.sculpteo.com/blog/2014/05/14/right-plastic-production-method-part-3/)

12. Нигметзянов Р.И., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Влияние ультразвуковой обработки на шероховатость поверхности деталей, полученных аддитивными технологиями // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2016. № 1 (315). С. 47-53.

13. Нигметзянов Р.И., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Влияние ультразвуковой обработки на шероховатость поверхности деталей, полученных аддитивными технологиями // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2016. № 1 (315). С. 47-53.

14. Григорьянц А.Г., Третьяков Р.С., Фунтиков В.А. Повышение качества поверхностных слоев деталей, полученных лазерной аддитивной технологией // Технология машиностроения. 2015. № 10. С. 68-73.

15. Ian S. Kinstlinger , Andreas Bastian , Samantha J. Paulsen, Daniel H. Hwang, Anderson H. Ta, David R. Yalacki, Tim Schmidt, Jordan S. Miller Open-Source Selective Laser Sintering (OpenSLS) of Nylon and Biocompatible Polycaprolactone // PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0147399 February 3, 2016С.1-25.

16. Mehdi Nourbakhsh, Nigel Morris, Michael Bergin, Francesco Iorio, Daniele Grandi (2016), Embedded sensors and feedback loops for iterative improvement in design synthesis for additive manufacturing, IDETC/CIE 2016 Conference proceedings: ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference С. 1-9.

Примечание*: Сейчас имеется некоторая путаница и стоит отметить что rhinoceros grasshopper к приведенному примеру отношения не имеет.